La industria en una metrópolis en tiempos modernos

El cine siempre ha reflejado las inquietudes, preocupaciones y sueños de la sociedad de su tiempo. Es el caso también de dos grandes clásicos,  “Tiempos modernos” (1936) y “Metrópolis” (1927), que retratan magistralmente la segunda revolución industrial de principios del siglo XX y sus posibles  consecuencias para una sociedad que ha de adaptarse a los nuevos valores en ese momento y debido al ya vertiginoso ritmo de cambio, también en el futuro. El futuro cercano ya ha llegado, y es posible, al margen de otras reflexiones, comparar los escenarios industriales actuales, y la tendencia que siguen, con el “retrato” que nos muestran estos dos grandes filmes.

Lo primero que llama la atención a este respecto es el uso y abuso de engranajes y paneles de mandos con luces, interruptores y todo tipo de vistosos accesorios que están por doquier. ¡Eso sin duda da idea de modernidad! Sería un poco más realista que en vez de contener símbolos sin ningún sentido científico (que yo conozca), mostrasen, por ejemplo, las variables o unidades correspondientes en la que se mide algo en una escala (un ejemplo es el presunto termómetro de Metrópolis que hace presagiar la explosión en la máquina corazón, al medir, de nuevo “presumiblemente”, una temperatura). Pese a lo “avanzado” de las instalaciones de Metrópolis, un trabajador  tiene que hacer grandes esfuerzos estirando sus brazos al máximo para manejar las “manecillas” de una especie de reloj que debe ser el mando de algún equipo importante, pese a lo cual no se diseñó con un “mango” que por efecto de palanca redujese la fatiga del trabajador, y el riesgo de que la máquina sea mal operada. Otro obrero intenta activar las válvulas de seguridad para evitar la explosión en Metrópolis, pero  lamentablemente, los ingenieros las colocaron muy lejos de su alcance convirtiéndolas en “válvulas de inseguridad”.

 

Las escaleras de la sala de máquinas en el filme también van en contra de los principios básicos de “seguridad e higiene industrial”, y jamás estarían presentes en una planta real, así como el emplazamiento de la máquina corazón bajo la ciudad, que es la mejor forma de poner en peligro el “jardín de los hijos”, y que deje de ser “eterno” al ocurrir el primer accidente industrial. Sin duda, los ingenieros encargados del diseño provenían de la ciudad de los trabajadores. Tampoco queda claro cómo se produce “bajo tierra” la disipación de los vapores, gases, partículas, radiaciones, vibraciones, ruidos y contaminación en general producidos, salvando las chimeneas de vapor que se alivian en pleno centro de Metrópolis, para “deleite” de sus ricos  habitantes.

Sabemos que en tiempos de Metrópolis la energía no era un problema, ya que se gastaba muchísima en “simular” el día con grandes lámparas en toda una ciudad enterrada. Hoy en día habrían enviado a los obreros a la periferia de la ciudad, y problema resuelto!

 

Los EPI (Equipos de Protección Individual, para los que no estén familiarizados con el término) tanto de  “Metrópolis” como de “Tiempos modernos”, tampoco ofrecen mucha garantía a los obreros (el casco y las gafas brillan por su ausencia, visten camisetas sin mangas, o nada de cintura para arriba, o monos sin nada debajo, etc.).

 

 

Los interruptores por lo general siempre echan chispas en el cine, pero el arco eléctrico es demasiado proclive a producir incendios en un ambiente industrial, por lo que lo realmente moderno es que se evite en instalaciones reales. No obstante, los equipos industriales mostrados en ambos filmes tienen el misterioso “hábito” de “escupir” fuego, aún cuando sea difícil esperar algo así de ellos teniendo en cuenta su naturaleza y función. Es el caso de los generadores eléctricos (compuestos de un motor que gira en el interior de un estator para transformar energía mecánica en energía eléctrica mediante la generación de un campo magnético) que Chaplin descontrola “trasteando” en un panel de mandos.

Hoy en día estamos inmersos en una llamada “tercera revolución industrial”, y aunque no todas las promesas de la misma acaben cumpliéndose llevándonos a una mal llamada “industria verde” (en mi opinión, una entelequia), podemos respirar aliviados al comprobar que la industria se desarrolla en escenarios muy distintos a los que muestran obras como “Metrópolis” y “Tiempos modernos”.

                                                                                                              ¿O no?

 Referencias:

• Endesa Educa. "Los generadores eléctricos". [en línea]. Disponible en la Web: http://www.endesaeduca.com/Endesa_educa/recursos-interactivos/conceptos-basicos/v.-funcionamento-basico-de-generadores. [Fecha de consulta: 9 Julio 2013]

 

"La última pregunta", de Isaac Asimov

Uno de mis relatos favoritos de Isaac Asimov, es sin duda “La última pregunta”, y la razón por la que me parece absolutamente genial este cuento es la misma por la que debería estar en el blog. Esto es, mezcla a menudo sin mucho orden ni lógica decenas de conceptos físicos que lo hacen tremendamente “incorrecto” e incoherente, pero a la vez dispara la imaginación del lector, y genera una serie de cuestiones que todo interesado por la Física debería plantearse alguna vez e intentar resolver.

 

 

El relato comienza el 21 de mayo de 2061, cuando Alexander Adell y Bertram Lupov, los dos asistentes de una máquina llamada Multivac, hacen una apuesta de cinco dólares sobre la respuesta de la misma a la pregunta (planteada por primera vez): “¿Cómo puede disminuirse masivamente la cantidad neta de entropía del universo?”. La supercomputadora es capaz de “autoajustarse” y “autocorregirse”, ayudar a diseñar naves espaciales y trazar trayectorias de viajes interestelares, así como de “aprender” a responder preguntas cada vez más complejas que le son formuladas. No obstante, la respuesta que arroja es “DATOS INSUFICIENTES PARA RESPUESTA ESCLARECEDORA”.

 

En tiempos de Multivac la  energía del sol se almacena, modifica y utiliza en la Tierra sin límite mientras “brille” la estrella, pero la pregunta de nuestros hombres se refiere al día que el sol se “apague”. ¿Existirá la posibilidad de “conectarse” a otra estrella? ¿Y después? Todas las estrellas “morirán” porque el propio universo también “muere” al aumentar su entropía. ¿Cómo invertir el proceso?

Los saltos en el tiempo del relato nos van mostrando la evolución de la humanidad y el papel que la pregunta juega en cada era. Una cuestión sin importancia en tiempos de Multivac, tampoco quita el sueño a una familia de “emigrantes interplanetarios” que huyen de una Tierra superpoblada y que poseen una Microvac, más potente que su predecesora, pero incapaz de dar una respuesta distinta.

Veinte mil años después de resolver el problema de utilizar energía estelar, VJ-23X y MQ-17J, preocupados por  la sobrepoblación del universo y la energía necesaria para sostener semejante crecimiento demográfico, formulan a la “galáctica AC”, sucesora de Multivac y Microvac, la  pregunta, obteniendo la misma respuesta.
                              

Tres millones de años después de Alexander y Bertram, Zee Prime y Dee Subwun, de galaxias distintas, viven en un universo de seres inmortales  donde se construyen estrellas y mundos mientras el universo en su conjunto sigue muriendo lentamente. La supermáquina vigente, la “universal AC”, arroja como respuesta que “LOS DATOS SON TODAVÍA INSUFICIENTES PARA UNA RESPUESTA ESCLARECEDORA”, pero tras la insistencia de sus usuarios sobre cuándo se tendría la respuesta por fin, la computadora apunta “NINGÚN PROBLEMA ES INSOLUBLE EN TODAS LAS CIRCUNSTANCIAS CONCEBIBLES”, dando ciertas esperanzas.

Mucho tiempo después, cuando las estrellas languidecieron, la AC, en un universo muerto sin hombres y “sin materia”, se dedicó un instante “sin tiempo” para unir y correlacionar toda la información recogida por sus antecesoras y por ella misma durante los millones de años anteriores, y “organizando el programa”  exclamó un “¡Hágase la luz!”, y problema resuelto. La luz se hizo.

Asimov no nos cuenta cómo puede “existir” una tal AC en un “universo muerto” sin materia, ni qué significa “un instante sin tiempo”, pero lo más inquietante de todo es que AC pudiera “resolver el problema”, es decir, “disminuir la entropía de algo”(de algo sin materia) sin emplear trabajo. Y de ser así, creó la materia y la energía para el nuevo universo de la nada? No me importa demasiado que un “simple” escritor de ciencia-ficción como Asimov no aclare estas cuestiones, al fin y al cabo planteamientos prácticamente idénticos convencen a millones de personas en todo el mundo y guían sus vidas, y no son tomados como ficción disparatada, ni siquiera cuestionados!  Así pues, perdonamos a Asimov su inofensivo derroche de fantasía y pasamos al tema de la entropía y su incremento, que es lo que se va a introducir de forma muy somera en esta entrada del blog.

El segundo principio de la termodinámica se enuncia de muchas maneras. Una de ellas es la desigualdad de Clausius, que se escribe para todo proceso cíclico como sigue:

 

 

 

La expresión corresponde a un proceso continuo. La integral es la suma de una cantidad infinita de pasos diferenciales en los que el sistema evoluciona variando su temperatura e intercambiando calor con distintos “ambientes” a distintas temperaturas. El signo de igualdad se cumple si el proceso es reversible y el de desigualdad si el proceso es irreversible. La desigualdad de Clausius sugiere que cuando la integral es positiva el proceso es “imposible”.

Esta desigualdad conduce directamente a la definición de “entropía”.  Para cualquier proceso reversible que una los mismos estados inicial y final, el valor de la integral es el mismo, es decir, es independiente del “camino”, y por tanto ese valor es igual a la diferencia de una función e estado, en este caso definida como “entropía”.

 

En el caso de un ciclo irreversible formado por un camino irreversible de 1 a 2 y otro reversible de 2 a 1, se tiene la desigualdad:

 

Esto indica que la integral por el camino reversible (igual a la diferencia entre entropía inicial y final) es mayor que por el irreversible. Si suponemos una entropía “generada” para poder plantear la igualdad, se tiene:

 

De lo anterior se deduce que la producción de entropía de un sistema siempre es positiva (proceso irreversible) o nula (proceso reversible), pero nunca negativa.

Como para un sistema aislado (caso de nuestro universo, que lo es todo y fuera del que no hay nada, al menos que sepamos), el término diferencial de calor es cero, y se cumple:

 

No obstante, eso no significa que la entropía de un proceso no pueda disminuir, de hecho, lo hace constantemente (nuestra nevera y la mayoría de los aparatos con los que estamos familiarizados son ejemplos de ello), pero a expensas de un aumento de entropía en el ambiente. La suma de la variación de entropía del sistema y la variación de entropía del ambiente, es decir, la del universo, es la que no puede ser negativa.

 

 

Respecto a la última pregunta de Asimov, parece “imposible” que la entropía de nuestro universo, con sus leyes tal como lo conocemos, disminuya. ¿Pero y si existiera un “universo” regido por leyes alternativas o lo que llamamos "universo" no es un sistema aislado y adiabático? Aún no tenemos siquiera una Multivac, pero físicos como el alemán Martin Bojowald ya se afanan para ir recopilando la información necesaria para una posible futura respuesta.

Referencias:

• Asimov, Isaac (1959). “La última pregunta y otros cuentos”. Ediciones B, 1994.
• Laplace. “Desigualdad de Clausius”. Departamento de Física Aplicada III, Universidad de Sevilla.  [en línea]. Disponible en la Web: http://laplace.us.es/wiki/index.php/Desigualdad_de_Clausius . [Fecha de consulta: 8 Julio 2013].

 

Cerebros positrónicos

 

Siempre me ha fascinado el concepto de “cerebro positrónico” inventado por Isaac Asimov y la consiguiente pregunta de si sería posible su existencia o no. Por ello, quería incluir en el blog alguna entrada al respecto, pero el mundo de la inteligencia artificial  me es bastante  ajeno, así que sería un poco osado  atreverme a cuestionar si el fundamento de su invento tiene sentido. Así, tomé mi desconocimiento como excusa para investigar un poco el tema y encontré en la red información tremendamente interesante en la que sin duda merece la pena indagar, y que debe, a mi juicio, ser compartida para despertar en otros al menos el mismo interés que en mí suscitó.

En el cerebro positrónico del que disponen los robots de Asimov, constituido por una malla de platino e iridio, los impulsos cerebrales tienen lugar mediante el flujo de positrones y son semejantes a la comunicación entre neuronas que ocurre en el cerebro humano. Los positrones o antielectrones son antipartículas (parte de la antimateria) con la misma masa y cantidad de carga que un electrón, pero con carga opuesta. Resulta difícil imaginar que la interacción de la materia de la malla y los positrones pueda ocurrir sin “aniquilación”, es decir, sin, por ejemplo, transformaciones que generen fotones de alta energía (rayos gamma) y otros pares partícula-antipartícula que parecen incompatibles ya no con el funcionamiento, sino con la estabilidad y existencia del supuesto cerebro.

No obstante, una tecnología relativamente reciente tiene un parecido asombroso con la ideada por Asimov. Se trata del “memristor”, también llamado “cuarto elemento circuital” (junto a resistencias, capacitancias e inductancias). Lo que hace tan “especial” a este componente de dos terminales, es que la resistencia varía de acuerdo al historial de voltajes que se le ha aplicado, y su estado se mantiene incluso en ausencia de alimentación/fuente de energía. Es decir, es una resistencia con memoria porque “recuerda” los niveles de voltaje previos para repetirlos más tarde. Dicha memoria se pierde al cabo de minutos u horas en los dispositivos ensayados hasta ahora, pero apenas se ha comenzado a experimentar con esta nueva tecnología.

El dispositivo es una matriz de cables (conductores) entre cuyos pares de conductores hay interruptores. En la siguiente figura se muestra dicha matriz, que recuerda a la “malla” de los cerebros positrónicos.

 

Se puede abrir o cerrar cualquier interruptor cambiando la conexión de la fuente. Al parecer, al cerrar algunos de estos interruptores se puede programar la matriz para que contenga gran cantidad de información. La dificultad para los investigadores hasta ahora consistía en buscar interruptores (situado entre dos conductores) a escala nanométrica que variara la altura del material que lo compone, ya que esta es proporcional a su resistencia. Así, el cubo de material que constituye el interruptor cambia en 100 veces su resistencia si se varía su altura en 3 nm. De esta forma, los memristores se “cargan” y “descargan”, proceso análogo a la sinapsis de las neuronas biológicas.

Aunque en 1971, Lean Chua desarrolló la teoría en la que se basan estos dispositivos, no fue hasta 2008 que Hewlett Packard los “materializó”. En el siguiente vídeo uno de los ingenieros encargados del proyecto, R. Stanley Williams, describe en tan sólo seis minutos el funcionamiento de un memristor:

Encontrar el material capaz de constituir un interruptor con estas características supuso un verdadero reto, y después de experimentar con platino e interruptores moleculares dieron con la solución. Se trata de dos sustratos de platino puro (dos electrodos, arriba y abajo) y dos capas de óxido de titanio, una de ellas de óxido con deficiencia de átomos de oxígeno. La “falta” de oxígeno, supone ausencias (huecos) de cargas negativas que se comportan como positivas, y en las proximidades del electrodo cargado positivamente “migran” al otro extremo del dispositivo. Así, el espesor de una de las capas de óxido aumenta a expensas de la otra capa. Al colocar voltaje negativo en el mismo electrodo se invierte el proceso y se aumentaría el espesor de la capa de óxido que antes lo disminuía. En la siguiente figura se representa lo explicado anteriormente. La línea azul es la “frontera” entre las dos capas de óxido antes de la migración de cargas positivas y la línea roja representa la misma después del proceso.
 

Algo tan “simple” como la dinámica de cargas que nos permite usar pilas o desalar el agua del mar, supone el fundamento para la construcción de las CPU modernas (que tendrán cientos de “núcleos” cada uno con una densa malla de memristores en lugar de cores) y quizá el primer paso para la creación de cerebros artificiales.

El proyecto MoNETA (Molecular Exploring Traveling Agent), es un proyecto de inteligencia artificial basado en el uso de memristores que está configurando progresivamente sistemas “tipo cerebro” con sistema nervioso artificial imitando al de algunos mamíferos. Los “neuromodelos” de MoNETA son diseñados para ser capaces de percibir datos sensoriales y producir comportamiento cognitivo autosuficiente y observable. Por ejemplo, sus “animat” (entes que constan del sistema nervioso artificial) deben superar, por ejemplo, una prueba típica aplicada a ratones (consistente en comprobar si el animal sigue pistas luminosas que le indican donde hay “tierra” mientras nada en un recipiente) así como correr, buscar “alimento” coordinando sus “sentidos” y “músculos” aún sin haber sido programado para ello.

Por su parte, investigadores del Education Campus Changa, en Gujarat, India, crearon un modelo de memristor en medio líquido como resistor  usando 10 ml de sangre humana a 37ºC, abriendo posibilidades de aplicaciones neurológicas en el futuro.

Resulta asombroso que en “Yo, Robot”, publicado en 1950, Isaac Asimov ya escribiera sobre  cerebros positrónicos, cuando el “germen” de lo que podría ser algo similar en el futuro no se ideó hasta 1971 y no se hizo realidad hasta 2008. Aunque Asimov concebía la buena ciencia ficción como el desarrollo de una idea preexistente en la ciencia llevándola a sus últimas consecuencias e imaginando sus implicaciones en el futuro, no hay noticias, al menos que yo haya podido encontrar, de algo parecido al fundamento de sus cerebros positrónicos hasta mucho tiempo después. Quizás es, una vez más, una de las tantas profecías de la ciencia-ficción.

Referencias:

• Schulz, Kenneth M.. “Memristors”. [en línea]. Disponible en la Web: http://kennethmichael.files.wordpress.com/2010/08/memory-resistors-2009.pdf [Fecha de consulta: 4 Julio 2013]

• Neuromorphics Laboratory. “MoNETA”. [en línea]. Disponible en la Web: http://nl.bu.edu/research/projects/moneta .[Fecha de consulta: 3 Julio 2013]

• Ayuda Electrónica. “Memristores:¿cómo funcionan?”.[en línea]. Disponible en la Web: http://ayudaelectronica.com/memristor . [Fecha de consulta: 3 Julio 2013].

• Wikipedia. “Cerebro positrónico”. [en línea]. Disponible en la Web: http://es.wikipedia.org/wiki/Cerebro_positr%C3%B3nico . [Fecha de consulta: 4 Julio 2013].

Gattaca

Gattaca es ya un clásico del cine de ciencia ficción de los 90. La película fue dirigida en 1997 por Andrew Niccol y debe su nombre a la combinación de las letras iniciales de las bases nitrogenadas que forman la cadena del ADN (guanina, citosina, adenina y timina).

Presenta un mundo que clasifica a sus individuos como “válidos” (aquellos nacidos tras haber sido seleccionados por incluir las mejores características genéticas de sus progenitores) o “no válidos” (individuos fruto de la combinación del material genético de sus padres al azar). Vincent, un “no válido” con demasiadas limitaciones físicas para subir al espacio (desde miopía hasta una probabilidad de un 90% de padecer un fallo cardiaco) sueña con entrar en Gattaca, centro de entrenamiento de los pocos elegidos para volar. Su voluntad, no determinada al parecer por gen alguno, le lleva a alcanzar su sueño. En el proceso recibe la ayuda interesada de un “válido” llamado Jerome, que le “vende” su identidad después de quedar discapacitado por un accidente, así como las muestras corporales diarias necesarias de pelo, sangre, orina, y todo lo necesario para superar los continuos controles de Gattaca.

 

El filme abre un ambicioso debate sobre la eugenesia en nuestro tiempo, y el papel real de los genes en el individuo resultante después de su continua interacción con su medio, cultura, etc. Sugiere que efectivamente en el desarrollo de cada ser humano influyen tantos y tan complejos factores que es imposible predecir el resultado final. Dicha cuestión es mucho más que compleja y se sale por completo del humilde objetivo de este blog. Por ello, después de acudir al filme buscando inspiración para el siguiente post, he decidido centrarme en algo tan intrascendente como los no pocos  errores y gazapos (algunos “físicamente incorrectos”, otros simplemente de sentido común) que convierten a esta estupenda película, en imperfecta. Comenzamos!
 

Vincent pasa por un largo proceso de “transformación” para ser Jerome en el que tiene que cambiar sus ojos de color y disimular su miopía con lentillas, porque “de lo contrario se verían cicatrices”. ¿Acaso las lentillas son invisibles? Las cicatrices parecen, en cambio, no suponer un problema  cuando nuestro protagonista se somete a una traumática operación  para aumentar unos cuantos centímetros de estatura.

En la película se efectúan controles diarios en Gattaca para confirmar la identidad y excelente condición física de sus miembros de élite. Por ello, el pobre Vincent (“convertido” en Jerome), se ve obligado a hacer triquiñuelas continuamente para asegurarse de no ser descubierto. Por ejemplo, toma distintas muestras de orina de Jerome, y comprueba con un análisis si son válidas (al auténtico Jerome le gusta demasiado el vodka, que invalida las muestras). Desconocemos qué parámetros en concreto se analizan en dicha orina, pero está claro que después de dos muestras no válidas, si se vierte el contenido de una válida con el mismo embudo de vidrio sin haber sido lavado convenientemente, la muestra buena ha sido contaminada, y por tanto, para darla como “válida” el aparato en cuestión tiene que tener por lo menos dotes adivinatorias.

 Jerome y Vincent  tuvieron cuidado de “menear” las bolsas de sangre para evitar su coagulación y poder conservarlas mejor, pero en cambio la minúscula porción de sangre vertida en el depósito del “dedo” falso de goma que Vincent  pegaba en su auténtico dedo cada día para superar el control de entrada en Gattaca, se mantenía misteriosamente líquida y lista para el análisis, y nunca se contaminó con producto alguno (restos de goma, pegamento con el que Vincent fijaba la prótesis a su dedo, ni restos de un supuesto anticoagulante).
 

Se puede pasar por alto que nadie, nunca, haya observado la foto del verdadero Jerome y notado que poco se parece al impostor, que nadie haya percibido que intercambia la muestra de sangre cuando se efectúa la extracción en vena de la misma o la “pegatina” con su sudor antes de correr  en la cinta, pero lo que es intolerable pasar por alto, si se mira una película de ciencia-ficción con cierto “espíritu físico-crítico”, es que Vincent suba al espacio con un traje de tela “de andar por Tierra” y sólo pestañee de emoción cuando su cuerpo está sometido a los efectos de la aceleración debida al despegue. Un lanzamiento como el de una nave jamás resultaría tan “cómodo” para su piloto como aparece en la película, y el mismo tendría, como mínimo y para reducir los efectos de la aceleración sobre su cuerpo, que vestir un traje especial.

 

El efecto fisiológico de la aceleración sobre el organismo recibe el nombre de “tensión por aceleración”. Los fenómenos circulatorios, respiratorios y visuales en el cuerpo humano, por ejemplo, son seriamente alterados en función de la magnitud de la aceleración, y si esta supera ciertos valores, se causan lesiones, incluso irreversibles, en todo el organismo. El cerebro también ve alterada su función, así como los riñones, las vértebras y articulaciones, etc.

 

El lanzamiento de las naves de Gattaca, al igual que el de las nuestras, se produce en vertical, así que los astronautas ya se sientan hacia arriba mientras esperan el lanzamiento y permanecen así durante el mismo. Esto “ayuda” al cuerpo a soportar mejor los valores de aceleración que se alcanzan, cuyos efectos en los órganos varían según la dirección en que se produzca dicha aceleración (de la cabeza a los pies o del pecho a la espalda). Los asientos de metal, en las naves de nuestro mundo, son inflexibles, y los astronautas llevan enormes trajes a presión. Mike Mullane describió sus sensaciones durante el lanzamiento  en una entrevista para la revista Tesconnect. Parece ser que durante el proceso sufren de un intenso dolor de espalda y se sienten sumamente incómodos. Se alcanzan 160 km/h en 4 segundos, y en menos de un minuto están ya a velocidades supersónicas. Scott Kelly señaló, por su parte, que el lanzamiento es todo menos tranquilo, se siente toda la “fuerza del empuje”, un ruido ensordecedor y violentas sacudidas que hacen que la cabeza “traquetee” dentro del casco. A medida que se acelera, los astronautas son “empujados” contra sus asientos, y resulta muy difícil moverse. La aceleración llega a los 3g, así que la sensación que tienen debe parecerse a la de “pesar” unas 3 veces más de lo que lo hacen “habitualmente” en la superficie terrestre. La aceleración y sus efectos no desaparecen hasta pasados unos 8 minutos de “vuelo”, una vez alcanzada la órbita, y sólo entonces empiezan a tener “sensación de ingravidez”, y los objetos empiezan a “flotar”.

Cuando la aceleración es opuesta a la gravedad (caso de los lanzamientos espaciales), la presión de los vasos sanguíneos por debajo del corazón aumenta, por el contrario, por encima del nivel del mismo la presión arterial disminuye, lo que provoca alteraciones visuales y cerebrales. Una persona de pie en reposo presenta una presión arterial cardíaca de 120 mmHg, y en los pies dicha presión alcanza los 190 mmHg por la presión hidrostática de la “columna” de sangre entre los pies y el corazón. La presión hidrostática en un punto depende de la altura respecto a la línea cardíaca, denominada “columna de sangre o hidrostática”. La inclinación del asiento de los pilotos mejora su tolerancia a la aceleración porque reduce dicha “columna hidrostática”, es decir, la altura corazón-cerebro, reduciendo así la disminución de presión en la cabeza del piloto al aumentar el valor de la aceleración.  En los lanzamientos las aceleraciones se mantienen siempre por debajo de 4g, ya que a este valor la deficiente irrigación sanguínea periférica en la retina provoca reducción concéntrica de los campos visuales, visión central borrosa o visión gris, que pueden desembocar, si la presión en el globo ocular disminuye lo suficiente, en pérdida total de visión (visión negra). Esto, seguido de la pérdida de conocimiento por falta de irrigación sanguínea en el cerebro, constituye uno de los primeros síntomas.

En experimentos en centrifugadoras llevados a cabo para evaluar los límites fisiológicos de las aceleraciones  se han conseguido valores de hasta 20g, pero siempre durante períodos de tiempo muy cortos, jamás alcanzados en maniobras comunes.

Al someter al cuerpo humano a una aceleración considerablemente mayor que la  9,81 m/s² habitual,  la frecuencia cardíaca aumenta para intentar “compensar” que el retorno de sangre venosa hacia el corazón disminuye porque debajo del corazón la sangre se dirige a la periferia de las extremidades.  Se producen así arritmias. Como las extremidades almacenan casi toda la sangre, aparecen  edemas en piernas y tobillos. Este efecto es contrarrestado por las maniobras de contracción muscular en piernas, brazos y abdomen, junto a los pantalones anti-G, “remedios” que contribuyen a “devolver” sangre al corazón. Como la frecuencia respiratoria aumenta considerablemente, también se provoca fatiga en la musculatura respiratoria, y dolor punzante e intenso en la zona superior del tórax y los hombros.

Elevados valores de aceleración también pueden producir en los cuerpos de los pilotos lesiones cervicales agudas y cambios vertebrales degenerativos crónicos, así como lesiones graves  en tejidos blandos como músculos y ligamentos.

Los métodos utilizados en aeronáutica para compensar los múltiples efectos comentados anteriormente son la respiración a presión positiva, los entrenamientos en centrífuga y los trajes anti-G. Estos últimos, lejos de incluir corbata (al estilo de Vincent en Gattaca), son tradicionalmente de  “oclusión arterial”, e inflan cámaras sobre el abdomen y las extremidades inferiores. La NASA sigue investigando en los trajes, que han sufrido una notable evolución desde el primer modelo utilizado, y hoy en día ya existen prototipos como el sistema “Libelle”, donde el piloto está rodeado de un líquido de la misma densidad del cuerpo, que provoca una contrapresión proporcional a la fuerza de la gravedad en cada punto del organismo.

Por mucho que avance la medicina aeroespacial y la aeronáutica, siempre tendrán que usarse dispositivos que le permitan al cuerpo humano soportar las aceleraciones necesarias para alcanzar en una nave la velocidad de escape de la Tierra en un tiempo razonable. Así mismo, no merecería la pena invertir en una tecnología capaz de absorber el ruido y las vibraciones de una nave durante su despegue, si esto fuese posible, sólo para proporcionar a sus pilotos un lanzamiento apacible y confortable como sólo en Gattaca puede tener lugar.

Referencias

• Aguilar Gutiérrez, Miguel (2000). „Biomecánica: La Física y la Fisiología“. Consejo Superior de Investigaciones científicas.

• Hayden, Gary (2008). „Lift off“. Tesconnect  Magazine. [en línea]. Disponible en la Web: http://www.tes.co.uk/article.aspx?storycode=2203020. [Fecha de consulta: 2 Julio 2013].
• González, A.; Ríos, F. „Efectos de las Aceleraciones Positivas en el Organismo Humano“. Medicina Aerospacial y Ambiental 2002, Vol. 3 (5): 222-231. [en línea]. Disponible en la Web: http://diposit.ub.edu/dspace/bitstream/2445/17863/1/519509.pdf. [Fecha de consulta:1 Julio 2013]

Velas solares

 

En el relato “El viento del sol”, del libro homónimo de Arthur C. Clarke al que ya he dedicado más de una entrada en el blog, el autor introduce una tecnología que hoy supone más que nunca la promesa de viajes interplanetarios sin necesidad de combustible y por tanto, tan largos como se desee. La obra narra el transcurso de una regata de “yates solares” impulsados por velas tensadas “de 50.000 pies cuadrados de plástico aluminizado”, capaces de impulsar las sondas al incidir en ellas la “presión de la radiación solar”. Esta “presión”, comenta Clarke, es de “una billonésima de onza sobre el área de las manos y actúa perpetuamente, al contrario que un combustible”, y el material de la vela “puede coger 5 lb de presión por radiación” y “conseguir una aceleración de 1 milésima de g”.

Pasando por alto que la presión no se mide en unidades de masa sino en unidades de fuerza/área, la existencia de una “presión de radiación”, fue deducida teóricamente por Maxwell ya en 1871. Es la presión ejercida sobre toda superficie expuesta a radiación electromagnética. Se define, si es absorbida, como la densidad de flujo de la energía dividida por la velocidad de la luz. Así, la presión de radiación del Sol sobre la Tierra (absorbida) es de 4.6 µPa. Si la radiación es reflejada en su totalidad, la presión de radiación se duplica. Esta magnitud constituye  la “fuerza motriz” de las velas solares, que ya han sido construidas y probadas (sonda Cosmo 1 de la Nasa, lanzada en 2005; sonda IKAROS, de Japón, lanzada en 2010). El material utilizado para las velas de 0.005mm de espesor, es el Kapton, una “poliimida” patentada por la firma DuPont.

Las velas que se han construido hasta hoy son de dos tipos: velas de plasma y velas de fotones. Las primeras son mallas o redes en las que se genera un campo eléctrico o magnético capaz de “interceptar” el plasma del viento solar. Las segundas, mucho más parecidas a las que describe Clarke en su obra, son grandes superficies ligeras y reflectantes que “captan” fotones de origen solar y otras ondas electromagnéticas generadas por la actividad humana.

El principio de funcionamiento de estas últimas se basa en la dualidad “onda-corpúsculo”, que postula que las ondas electromagnéticas son también “chorros de fotones”. En el espacio vacío, dichos fotones se mueven a la velocidad de la luz y tienen una energía directamente proporcional a la frecuencia de la onda asociada. El momento lineal del fotón (masa x velocidad) depende únicamente de dicha frecuencia. Cuanto mayor es la longitud de onda, menor es la energía y el momento lineal del fotón. Cuando dicho fotón es reflejado por una superficie, éste vuelve a la misma velocidad  pero con mayor longitud de onda, lo que indica que cedió parte de su energía (y por tanto momento lineal) a la superficie sobre la que impactó. Este fenómeno sería el que impulsa la nave, ayudado por el efecto análogo producido por las partículas provenientes de plasma  expulsado por el Sol en forma de “vientos solares”, más escasas y que viajan más lento, pero cuya mayor masa garantiza el “empuje” sobre las velas.

En el siguiente vídeo de la NASA se explica someramente el funcionamiento de las velas solares:

Al contrario que en muchas obras de ciencia ficción en las que el autor predice con pasmosa exactitud alguna tecnología que se inventará o desarrollará en el futuro, en este relato Arthur C. Clarke demuestra estar más que bien informado sobre  las posibilidades que ofrecía la aeronáutica en 1987 (año de publicación del libro) y ya mucho antes. En 1924 el ingeniero Fredrich Zander estudió la posibilidad de viajes interplanetarios con “veleros solares”, en 1951 fué publicado el primer artículo técnico al respecto “ClipperShips of Space”, y en 1958 aparece la primera publicación científica en la revista “Jet Propulsion” a cargo del Dr. Richard Gamin sobre estos dispositivos.

A finales de 2014, el Programa de Tecnología Espacial de la NASA planea lanzar una sonda con la vela solar más grande hasta el momento construida. Sus 1200 metros cuadrados de superficie reflejarán la luz solar como una enorme pompa de jabón, brillante y frágil, tal como lo describió Clarke. Quizás por eso, el dispositivo ya ha sido bautizado con el nombre “Sunjammer”, en honor al relato del genial autor de ciencia-ficción.

Referencias:

• Arthur C. Clarke (1987). “El viento del sol”. Alianza Editorial.

• Wikipedia. “Presión radiación”,[en línea]. Disponible en la Web: http://es.wikipedia.org/wiki/Presi%C3%B3n_de_radiaci%C3%B3n . [Fecha de consulta: 30 Junio 2013].

• Wikipedia.“Vela solar”,[en línea]. Disponible en la Web: http://es.wikipedia.org/wiki/Vela_solar. [Fecha de consulta: 29 Junio 2013].

•  Dr. Tony Phillips (24 de enero de 2011). “Una espectacular vela solar”. Ciencia@NASA.[en línea]. Disponible en la Web: http://ciencia.nasa.gov/ciencias-especiales/24jan_solarsail/  [Fecha de consulta: 30 Junio 2013].